電磁噪聲優化軟件（ENOS）

ENOS軟(ruan)件開發(fa)背景(jing)

現(xian)在(zai)新能(neng)源(yuan)車行(xing)業(ye)競(jing)爭(zheng)越(yue)來(lai)(lai)激勵，在(zai)剛剛過去的(de)(de)(de)(de)2020年年底特斯拉(la)突然(ran)大幅(fu)降價，直接將(jiang)競(jing)爭(zheng)推向了新的(de)(de)(de)(de)高(gao)潮(chao)，作為(wei)新能(neng)源(yuan)車的(de)(de)(de)(de)主驅(qu)系(xi)統(tong)電機行(xing)業(ye)的(de)(de)(de)(de)競(jing)爭(zheng)也(ye)越(yue)來(lai)(lai)越(yue)白(bai)熱化，就(jiu)拿電機最高(gao)轉速要(yao)求(qiu)來(lai)(lai)說，就(jiu)由(you)原來(lai)(lai)的(de)(de)(de)(de)12000rpm提升到16000rpm，到未(wei)來(lai)(lai)的(de)(de)(de)(de)18000rpm，甚至20000rpm，市場需求(qiu)不斷(duan)在(zai)變化，要(yao)求(qiu)越(yue)來(lai)(lai)越(yue)高(gao)，問題(ti)(ti)越(yue)來(lai)(lai)越(yue)復(fu)雜，留給(gei)我(wo)(wo)們(men)解決問題(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)時(shi)間越(yue)來(lai)(lai)越(yue)少，面臨(lin)的(de)(de)(de)(de)挑(tiao)戰也(ye)將(jiang)越(yue)來(lai)(lai)越(yue)多，工(gong)程師(shi)只(zhi)會(hui)使(shi)用幾個CAE軟件就(jiu)可以(yi)馳騁江湖(hu)的(de)(de)(de)(de)時(shi)代已經(jing)一去不復(fu)返了。隨著大數據、人工(gong)智(zhi)能(neng)等(deng)智(zhi)慧(hui)科技的(de)(de)(de)(de)不斷(duan)發(fa)展(zhan)，我(wo)(wo)們(men)將(jiang)面臨(lin)進入(ru)智(zhi)慧(hui)研(yan)發(fa)的(de)(de)(de)(de)時(shi)代，使(shi)得我(wo)(wo)們(men)面臨(lin)的(de)(de)(de)(de)研(yan)發(fa)不再(zai)是簡單的(de)(de)(de)(de)重(zhong)復(fu)勞動，而是更(geng)具有創新性，因此(ci)，迫切需要(yao)借助優化軟件工(gong)具或者優化算法等(deng)幫助我(wo)(wo)們(men)快速積累經(jing)驗，使(shi)得我(wo)(wo)們(men)的(de)(de)(de)(de)研(yan)發(fa)過程更(geng)加具有創新性，開發(fa)的(de)(de)(de)(de)產品更(geng)加具有競(jing)爭(zheng)性。

我們在(zai)前幾期分享了(le)我們開發的(de)(de)(de)電機電磁力計(ji)算軟件以及(ji)電磁噪(zao)聲(sheng)計(ji)算軟件的(de)(de)(de)開發背景及(ji)功(gong)能(neng)介紹，很好的(de)(de)(de)解決(jue)了(le)在(zai)新能(neng)源車電機電磁噪(zao)聲(sheng)計(ji)算中所(suo)遇(yu)到的(de)(de)(de)四類挑(tiao)戰，也就是(shi)可(ke)以快速計(ji)算多工況的(de)(de)(de)電機及(ji)電驅動總(zong)成(cheng)電磁噪(zao)聲(sheng)問題(ti)，同時實現了(le)對(dui)電磁力源和(he)噪(zao)聲(sheng)產生機理的(de)(de)(de)深入剖析，那么接(jie)下來(lai)就是(shi)如何高效而準確優(you)化電磁噪(zao)聲(sheng)問題(ti)了(le)。

舉個例子，當我們(men)(men)對電(dian)(dian)機或(huo)者電(dian)(dian)驅動(dong)總(zong)成(cheng)通過(guo)電(dian)(dian)磁-結(jie)構-聲(sheng)(sheng)場多物理場的(de)(de)耦合計算(suan)實現(xian)了(le)電(dian)(dian)磁噪(zao)聲(sheng)(sheng)的(de)(de)準確預測(ce)，利用(yong)電(dian)(dian)磁力軟件和電(dian)(dian)磁噪(zao)聲(sheng)(sheng)數(shu)值計算(suan)也(ye)找(zhao)到了(le)噪(zao)聲(sheng)(sheng)產(chan)生的(de)(de)具體原因，比如(ru)48階噪(zao)聲(sheng)(sheng)較為突(tu)出，主要問(wen)題(ti)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速點(dian)3000rpm和8000rpm，其中3000rpm轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速點(dian)由轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩脈動(dong)導(dao)致(zhi)，8000rpm由徑(jing)向電(dian)(dian)磁力導(dao)致(zhi)，經過(guo)電(dian)(dian)磁力分析可以發現(xian)在此兩個問(wen)題(ti)點(dian)電(dian)(dian)磁力較大，需(xu)要進(jin)行優化，我們(men)(men)的(de)(de)經驗告訴我們(men)(men)，最簡單的(de)(de)方法就是犧(xi)牲電(dian)(dian)機性(xing)能(neng)(neng)如(ru)降低轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩可能(neng)(neng)會(hui)降低噪(zao)聲(sheng)(sheng)，但(dan)是在保(bao)證電(dian)(dian)機性(xing)能(neng)(neng)基本(ben)不變的(de)(de)前提下(xia)，我們(men)(men)又該如(ru)何(he)優化呢？

一是(shi)傳統設(she)計方法：借助工程(cheng)(cheng)師(shi)或(huo)者專家個(ge)人(ren)(ren)的(de)(de)(de)經驗(yan)(yan)和深厚(hou)的(de)(de)(de)理(li)論(lun)功底(di)給出(chu)優(you)(you)化(hua)(hua)(hua)方向(xiang)，比如轉(zhuan)子外圓開槽或(huo)者磁鋼位置微(wei)調等(deng)，均可以實現某些(xie)階次如48階電磁力(li)的(de)(de)(de)降(jiang)低(di)，但是(shi)具(ju)體開槽位置和尺(chi)寸，就(jiu)算再有(you)經驗(yan)(yan)的(de)(de)(de)工程(cheng)(cheng)人(ren)(ren)員(yuan)也(ye)很(hen)難拍胸脯準確給出(chu)具(ju)體的(de)(de)(de)參(can)數，此(ci)時，通常(chang)的(de)(de)(de)做法是(shi)憑借經驗(yan)(yan)給出(chu)多(duo)組模型參(can)數，根據(ju)不同的(de)(de)(de)參(can)數分析(xi)它們的(de)(de)(de)變化(hua)(hua)(hua)趨勢及(ji)優(you)(you)化(hua)(hua)(hua)效(xiao)果(guo)，確定(ding)最終優(you)(you)化(hua)(hua)(hua)方案(an)，優(you)(you)化(hua)(hua)(hua)方案(an)的(de)(de)(de)好壞更多(duo)依賴工程(cheng)(cheng)人(ren)(ren)員(yuan)的(de)(de)(de)經驗(yan)(yan)，由于個(ge)人(ren)(ren)經驗(yan)(yan)的(de)(de)(de)局限(xian)性(xing)和理(li)論(lun)邊界限(xian)值，最終的(de)(de)(de)優(you)(you)化(hua)(hua)(hua)效(xiao)果(guo)也(ye)不一定(ding)是(shi)最優(you)(you)的(de)(de)(de)，甚至可能沒(mei)有(you)優(you)(you)化(hua)(hua)(hua)效(xiao)果(guo)，其分析(xi)與(yu)優(you)(you)化(hua)(hua)(hua)流程(cheng)(cheng)如下圖(tu)所示。

圖1 基于經驗的電機或電驅動總成噪聲(sheng)分析及其優化流(liu)程

二是借助優(you)化(hua)(hua)(hua)算(suan)法：借助優(you)化(hua)(hua)(hua)軟件完成優(you)化(hua)(hua)(hua)工(gong)作(zuo)(zuo)，由于我們(men)(men)已經分析出(chu)了(le)主(zhu)要(yao)問題(ti)源和(he)需要(yao)優(you)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)方(fang)(fang)(fang)向，此(ci)時(shi)(shi)我們(men)(men)可以借助優(you)化(hua)(hua)(hua)軟件定義優(you)化(hua)(hua)(hua)目標（如某個轉(zhuan)速工(gong)況的(de)(de)徑向電磁力和(he)轉(zhuan)矩脈動等參(can)數(shu)）和(he)優(you)化(hua)(hua)(hua)變量（轉(zhuan)子外圓開槽尺寸(cun)、磁鋼位(wei)置等）等參(can)數(shu)，以及(ji)定義需要(yao)優(you)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)問題(ti)工(gong)況，這(zhe)樣(yang)經過(guo)計算(suan)機的(de)(de)大(da)量迭代(dai)計算(suan)最終優(you)化(hua)(hua)(hua)出(chu)我們(men)(men)所希望的(de)(de)結(jie)果。此(ci)時(shi)(shi)，我們(men)(men)人(ren)起的(de)(de)主(zhu)要(yao)作(zuo)(zuo)用就好(hao)比充當醫(yi)生的(de)(de)角色，找到具體(ti)的(de)(de)病根才是最主(zhu)要(yao)的(de)(de)，后(hou)面才能更好(hao)的(de)(de)對(dui)癥下(xia)藥，我們(men)(men)都知道針(zhen)對(dui)同(tong)樣(yang)的(de)(de)病不同(tong)的(de)(de)個體(ti)而言，其用藥及(ji)其治(zhi)療方(fang)(fang)(fang)式可能有較(jiao)大(da)差異，但(dan)是利用大(da)數(shu)據可以針(zhen)對(dui)不同(tong)的(de)(de)個體(ti)給(gei)出(chu)最優(you)的(de)(de)用藥方(fang)(fang)(fang)式和(he)治(zhi)療方(fang)(fang)(fang)案，同(tong)理，針(zhen)對(dui)電機NVH優(you)化(hua)(hua)(hua)問題(ti)，首先也需要(yao)診(zhen)斷出(chu)主(zhu)要(yao)噪聲(sheng)源，然后(hou)把簡單重復的(de)(de)迭代(dai)優(you)化(hua)(hua)(hua)工(gong)作(zuo)(zuo)交給(gei)算(suan)法，這(zhe)樣(yang)人(ren)就有更多時(shi)(shi)間來思考更復雜抽象的(de)(de)問題(ti)，進行更有創造性的(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)，可以充分實現人(ren)機合作(zuo)(zuo)，并進行更為高級的(de)(de)智慧研發服務(wu)。具體(ti)分析流(liu)程如下(xia)圖所示。

圖2 基于算法的電機或電驅動總(zong)成噪聲分析(xi)及其優化流程(cheng)

我們在多個電(dian)(dian)(dian)機降噪優化項目分析(xi)工(gong)程(cheng)(cheng)實際中不斷總結和(he)摸索經驗，為了(le)克服工(gong)程(cheng)(cheng)電(dian)(dian)(dian)磁噪聲(sheng)優化分析(xi)挑(tiao)戰(zhan)，開發了(le)電(dian)(dian)(dian)機電(dian)(dian)(dian)磁噪聲(sheng)優化軟件ENOS（Electromagnetic Noise Optimization Software），并在此基礎上形(xing)成了(le)電(dian)(dian)(dian)機電(dian)(dian)(dian)磁噪聲(sheng)優化分析(xi)流程(cheng)(cheng)規范(fan)，用于電(dian)(dian)(dian)機電(dian)(dian)(dian)磁噪聲(sheng)的前期預測及優化分析(xi)的工(gong)程(cheng)(cheng)實踐中，軟件界面簡單，使用方便，操作(zuo)容(rong)易，由于是(shi)國產(chan)軟件，新功能(neng)升級容(rong)易實現(xian)，可(ke)根據現(xian)實需求不斷進行(xing)功能(neng)升級完(wan)善及定(ding)制化開發服務。

ENOS軟件主要(yao)功能介紹

ENOS軟件主界面如下圖所示，主要(yao)包括(kuo)：菜單欄、工程樹圖、屬性設(she)置(zhi)、繪圖區、圖表設(she)置(zhi)、模型(xing)篩(shai)選等區域。只需要(yao)經(jing)過(guo)簡單的優(you)(you)化目(mu)標、優(you)(you)化變量(liang)和優(you)(you)化工況等三(san)部(bu)曲設(she)置(zhi)即(ji)可完(wan)成優(you)(you)化分析任務，操作(zuo)簡單方便(bian)，計(ji)算效率(lv)高。

圖(tu)3 ENOS軟件界面（電磁噪聲優(you)化軟件）

優化目標

（1）軟件支持轉(zhuan)矩(ju)數(shu)據分析，提取轉(zhuan)矩(ju)波動峰(feng)峰(feng)值(zhi)、平均值(zhi)、階次等作為優化目標(biao)（如某階轉(zhuan)矩(ju)脈動最低）；

（2）軟件支持電磁(ci)力數據(ju)分析，提取磁(ci)密(mi)，轉化成力密(mi)度，分解特定空間和(he)頻(pin)率階(jie)(jie)次作為(wei)優(you)化目(mu)標（如某階(jie)(jie)徑向電磁(ci)力最低）；

（3）支持優化(hua)過程中目(mu)標(biao)和(he)參(can)數的(de)實時顯示(shi)，同時支持根據用(yong)戶偏好修(xiu)改目(mu)標(biao)權(quan)重，如存在多目(mu)標(biao)時，客戶可修(xiu)改不同目(mu)標(biao)的(de)權(quan)重值，可大大加速收斂(lian)時間。

圖4 轉(zhuan)矩及波動指標(biao)優化(hua)目標(biao)設(she)定(ding)

圖5 電磁階次力(li)優化目(mu)標設(she)定

優化變(bian)量

（1）支持轉子形狀的參數化(hua)，如磁(ci)(ci)鋼位置/磁(ci)(ci)鋼形狀/隔磁(ci)(ci)橋孔(kong)/隔磁(ci)(ci)磁(ci)(ci)橋/轉子外圓開槽等(deng)；

（2）支持定子(zi)形狀的參數(shu)化，如定子(zi)槽開口尺寸/定子(zi)輔助槽/定子(zi)內(nei)徑、外徑等；

（3）支持Maxwell或(huo)Jmag電磁(ci)有限(xian)元參數化(hua)(hua)建模(mo)與識(shi)別（包括Maxwell模(mo)型的UDP模(mo)型等參數化(hua)(hua)方(fang)式）；

（4）模型(xing)參(can)數(shu)化(hua)變量定義參(can)數(shu)時具備自動糾錯功能，如設置參(can)數(shu)不合理或者超出范(fan)圍，自動給(gei)出提示(shi)警告等；

（5）內部自動通(tong)過腳本調用修改電磁(ci)有限元模型。

圖6 轉(zhuan)子拓撲優(you)化(hua)變量(liang)設置(zhi)

優化工況(kuang)設置(zhi)

（1）具(ju)備自動建(jian)工(gong)況(kuang)(kuang)功能，并開(kai)放工(gong)況(kuang)(kuang)設置參數給用戶，針對問(wen)題轉(zhuan)速(su)點（如3000rpm、5000rpm等）可以進行工(gong)況(kuang)(kuang)定(ding)義；

（2）可以快(kuai)速優(you)化(hua)電機在(zai)單工況及多工況下的(de)電磁力性能。

圖7 優化分析工況設置

遺傳算(suan)法(fa)參數(shu)設置

（1）內置帶(dai)精英策略的非支(zhi)配(pei)遺(yi)(yi)傳算法，并開放遺(yi)(yi)傳算法相關參數(shu)(shu)如種(zhong)群數(shu)(shu)量、迭代數(shu)(shu)等(deng)，用(yong)戶可以根據實(shi)際需求(qiu)進行調整，以便高效實(shi)現優化分析工作；

（2）有限(xian)元(yuan)模型參數(shu)、計算數(shu)據與優化軟(ruan)件(jian)之(zhi)間的自動傳遞(di)；

（3）軟件優化(hua)計算(suan)時當出現參(can)數化(hua)模(mo)型幾何(he)拓撲(pu)錯誤時，可自動跳過并進行下一個優化(hua)模(mo)型的計算(suan)。

圖8 優化算(suan)法參數設(she)置

結果處理功(gong)能

優(you)化(hua)過(guo)程監測(ce)

（1）實時在線顯(xian)示優化進程。

圖9 優化進程(cheng)顯示(shi)(shi)示(shi)(shi)意(yi)圖

圖10 優(you)化過程(cheng)變量或者目標散點圖示意圖

模型篩選

（1）優(you)化計(ji)算結束時，用戶可(ke)按照需求，定(ding)義(yi)篩(shai)選(xuan)條件(jian)，篩(shai)選(xuan)出符(fu)合特定(ding)條件(jian)的(de)所有優(you)化模(mo)型(xing)，如扭(niu)矩或者電(dian)磁(ci)力，快(kuai)速(su)篩(shai)選(xuan)滿足特定(ding)指標的(de)模(mo)型(xing)，幫助用戶快(kuai)速(su)獲(huo)得所需要(yao)的(de)優(you)化方(fang)案，以快(kuai)速(su)鎖定(ding)最優(you)模(mo)型(xing)。

（2）導出(chu)篩選(xuan)的模型，進(jin)行定量比較(jiao)。